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应用声光学仪器原位观测海底浮泥层动态变化的
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摘要：LIU Xiao-Lei, MA Lu-Kuan, ZHANG Hong, et al. Comparative study of in-situ observation of dynamics of fluid mud layers on the seafloor with acoustic and optical instruments[J]. Periodical of Ocean University of China, 2021, 51(1): 86-93. 海底
LIU Xiao-Lei, MA Lu-Kuan, ZHANG Hong, et al. Comparative study of in-situ observation of dynamics of fluid mud layers on the seafloor with acoustic and optical instruments[J]. Periodical of Ocean University of China, 2021, 51(1): 86-93.
海底浮泥层是一种高浓度沉积物流体层，广泛存在于海底表面，主要由细颗粒沉积物(黏土和粉土)与水混合而成，与上层含沙水体与下层固结海床之间具有相对明显的分界面。浮泥层沉积物浓度较高，在重力作用下形成的重力流是细颗粒沉积物跨大陆架输运的重要机制[1-2]。此外，风暴作用会诱发大范围浮泥层形成[3]，其沿斜坡运动对海底工程设施威胁巨大。因此，研究浮泥层的形成与运动过程，对了解泥沙输运过程、海底地形地貌演变过程以及工程选址等具有重大意义。由于真实海洋环境复杂多变，对海底浮泥层动态变化过程进行研究，主要依赖现场原位观测方法。
在进行海底浮泥层判定时，国际上普遍将悬浮泥沙浓度10 g/L定义为浮泥层的浓度下限，将悬浮泥沙浓度达到10 g/L的水体定义为浮泥层上界面，海床位置处为浮泥层下界面[4-5]。自1980年代以来，随着声学和光学传感器技术的快速发展，国内外学者陆续针对浮泥层动态变化开展了现场原位观测。Ogston等[6]使用了搭载光学后向散射传感器OBS的观测系统，于1996年冬季风暴期间在加利福尼亚北部陆架观测到了浮泥层形成，并在重力作用下形成重力流向海运动的过程。Hale等[3]使用声学后向散射传感器ABS于2010年在新西兰Waipaoa河沿岸陆架测得浮泥层的悬浮泥沙浓度剖面，并测得近底悬浮泥沙浓度达到50 g/L。不同仪器受限于观测原理，存在测量量程、测量范围、测量精度、是否扰动观测点等方面的局限性，无法保证整个观测过程均符合仪器的观测要求，需要使用不同仪器对测量结果进行对比，提高原位观测数据的准确性。
本文通过现场潮滩试验模拟海底浮泥层的动态变化过程，采用4种国际主流的声学和光学仪器对浮泥层要素进行分析对比，探讨不同仪器的时空分辨率、准确度、影响因素与适用范围，为浮泥层动态变化过程现场原位观测、海底沉积物输运与地形地貌演变研究提供参考。
1 试验设计
1.1 试验仪器及原理
1.1.1 高密度悬沙浓度剖面仪ASM 光学方法测量悬浮泥沙浓度是目前常用的现场观测方法。光学后向散射传感器OBS(Optical Back Scattering)广泛用于悬浮物浓度研究[7-8]。其工作原理是向水体发射光束，光束由于水体中悬浮物作用发生散射，通过接收后向散射信号得到水体浊度。OBS测量的浊度能达到较高的精度，适用于现场原位观测[9]。高密度悬沙浓度剖面仪ASM(Argue Surface Meter)测量原理与OBS相同，测量结果也与OBS具有很好的一致性[10]。本文采用德国Argus公司生产的ASM-IV探杆，其集成了144个OBS传感器，传感器间隔为1 cm，采集频率0.2 Hz,量程为0～4 000 FTU，适用水深100 m，可有效测量浊度剖面随时间的变化。
1.1.2 声学多普勒流速仪ADV/ADP 声学多普勒流速仪ADV(Acoustic Doppler Velocimetry)与声学多普勒流速剖面仪ADP(Acoustic Doppler Profilers)是目前水力及海洋实验室的标准流速测量仪器。使用声学后向散射来测量颗粒浓度的方法已经被广泛地应用于泥沙动力过程的研究[11-12]。本文采用的ADV与ADP产自挪威Nortek公司，能向水体中发射0.4～2.0 MHz的声波并接收声散射信号，ADV采集频率范围为1～64 Hz，ADP采集频率最高为1 Hz，适用水深500 m。从现场观测数据中，可以提取有关水体悬浮颗粒物信息，经过校正后可得测量点的悬浮泥沙浓度。
1.1.3 声学蚀积仪AA400 声学测深仪器通过发射器向海床方向发射一定频率的声波，声波在接触声学最大反射面(即海床界面)反射后被接收器接收，通过计算声波传播速度和时间，得到发射器相对于海床界面的高程。本文采用韩国EOFE公司生产的声学蚀积仪AA400，可发射450 kHz超声波，可以垂直向下固定于四脚架进行海床高程测量，采集频率0.2 Hz，测量精度为1 mm，适用水深为100 m。
1.2 试验方法及过程
2019年7月22～30日，于东营市401采油平台附近潮滩进行试验(见图1(a))。潮滩沉积物由黄河携带入海泥沙沉积形成，与黄河口形成的海底浮泥层具有相同的物质来源[13]，该处沉积物的粉粒含量为60.2%，黏粒含量为15.4%，平均粒径为0.029 mm。退潮时潮滩外露，便于现场观测仪器布放与回收，能更好地进行海底浮泥层动态变化过程观测。
在原始潮滩开挖一个长200 cm，宽60 cm，深80 cm的试坑，底部模拟原始海床。将光学悬沙剖面仪ASM、声学多普勒流速剖面仪ADP、声学多普勒流速仪ADV、声学蚀积仪AA400使用观测架固定，放置于试坑一端，另一端放置造波装置进行造波(见图1(b))。仪器布放完毕后，选取潮滩土配置泥浆倒入试坑中，待仪器与水体稳定开始观测浮泥沉降过程，该过程用于比较在浮泥层存在的情况下不同仪器对悬浮泥沙浓度以及海床界面的响应，共持续30 min。待沉降完毕，使用试坑另一端的造波装置进行造波，造波过程持续30 min，观测并比较在波浪影响下，沉积物再悬浮过程中各仪器对海床界面变化的响应。其中光学悬沙剖面仪ASM与声学蚀积仪AA400每5 s分别测一次浊度剖面和海床高程，ADP采集频率1 Hz，ADV采用高频采集，采集频率16 Hz。试验结束后得到了随时间变化的水体浊度剖面(ASM)，单点声后向散射强度(ADV)，声后向散射强度剖面(ADP)，以及海床界面高程(AA400)。
文章来源：《声学学报》 网址: http://www.sxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0301/529.html